Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Базальтовый магнитизм как отражение динамики верхней мантии

ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Введение Диссертация по геологии, на тему "Базальтовый магнитизм как отражение динамики верхней мантии"

Актуальность проблемы

В основе современных геодинамических построений лежит рассмотрение процессов физико-химической и структурной эволюции глубинных зон земной коры и верхней мантии, которые предусматривают магматическую и гравитационную дифференциацию, плавление, тепло-и массоперенос, мантийный метасоматоз и т.п. Эти процессы сопровождаются изменением химического и минерального состава глубинного вещества, приводя, в конечном итоге, к сложным преобразованиям в составе и состоянии верхней мантии Земли, в значительной степени определяя ее динамику.

В ряду этих процессов вулканизм (в особенности базальтовый, как наиболее глубинный и самый распространенный на поверхности Земли) играет важную роль в качестве индикатора высокотемпературного состояния глубинных зон, и, с точки зрения энергонасыщенности, должен свидетельствовать о-максимальной эндогенной активности под определенными тектоническими структурами.

В связи с этим чрезвычайно актуальной задачей для исследователей, занимающихся глубинными проблемами, является выявление главных признаков физико-химической динамики и характера поведения вещества верхней мантии и связи его с базальтовым вулканизмом.

Формирование базальтовых расплавов обусловлено термическим возбуждением в мантии, а различная реакция земной коры на мантийный тепловой импульс лежит в основе разнообразия геотектонических режимов и определяет дальнейшую эволюцию тектонических структур, что признается всеми исследователями вне зависимости от того, каких геотектонических позиций они придерживаются.

Решение задач, связанных с определением характера динамики верхней мантии, ее связи с базальтовым вулканизмом и наличием неод-нородностей в глубинном строении под многими структурами континентов, может быть проведено только на основе комплексного анализа reo л ого-геофизических, петрол ого-геохимических и экспериментальных данных в конкретных геологических структурах - складчатых и ороген-ных поясах, районах тектоно-магматической активизации, зон рифтоге-неза, областей с предрифтовым режимом и т.п. ль и задачи исследования I Основной целью работы являлось выявление важнейших закономерностей, существующих между базальтоидным вулканизмом и динамикой (процессами) в верхней мантии. Это предусматривает определе-ниение термического состояния мантии под некоторыми (преимущественно рифтогенными и предрифтовыми) структурами и влияния убинных процессов на характер преобразования (или формирования) ^ственного состава и геофизической структуры глубин.

В связи с этим решались следующие задачи:

1. Определение термического режима в условиях континентального рифтогенеза на разных стадиях его развития; анализ комплекса геолого-геофизических данных для выявления пространственных особенностей существования диапироподобной "аномальной" мантии и неоднородностей в тектоносфере.

2. Петролого-петрохимическая характеристика глубинного вещества и субстрата верхней мантии (ксенолиты ультраосновного состава) в областях широкого развития щелочно-базальтового вулканизма; определение характера влияния процессов мантийного метасоматоза, теплового воздействия (разогрев мантии) и флюидов на вещество первичного субстрата и базальтовые расплавы.

3. Выявление связей между вещественным типоморфизмом тектонических структур (и их эндогенных режимов) и процессами метасомати-ческого и метаморфического преобразования вещества верхней мантии.

4. Определение корреляций между составом базальтового расплава и составом выносимых этой магмой ксенолитов, в зависимости от характера глубинных процессов.

5. Выявление изотопно-геохимических неоднородаостей базальтовых серий, обусловленных динамикой Исландского плюма. Определение глубинных магматических источников базальтов Исландии, связанных со спецификой эволюции ее эндогенных режимов.

6. Определение основных закономерностей в эволюции магматизма (состав магм, глубинность образования, пространственно-временное распределение).

Фактический материал, методы и методики исследования

Основу работы составляет обширный геологический и петрологический материал по глубинным включениям и вмещающим их щелочно-базальтовым породам, который собирался автором, начиная с 1968 года в различных районах Монголии (в составе Советско-Монгольской геологической экспедиции), Прибайкалье, на Малом Кавказе (Армянское вулканическое плато), в Восточной и Центральной Европе (Германия, Болгария, Чехословакия, Венгрия и др.), в Исландии (в составе Советской геолого-геофизической экспедиции АН СССР). Лично автором было описано более 1500 прозрачных шлифов базальтов и ксенолитов, проведено более 800 микрозондовых определений отдельных минералов и вторичных образований в них, составлено большое количество схем и карт в районах развития базальтового вулканизма. Проанализировано более 500 образцов базальтов и ксенолитов методом "мокрой" химии, около 300 определений малых и рассеянных элементов (в лабораториях "Укрчерметгеологии", г. Керчь, в химлаборатории ЦНИГРИ, ГИН, Центрального института физики Земли в Потсдаме). Составлены карты "Кайнозойского вулканизма МНР" и "Глубинного строения МНР" для

Национального Атласа МНР. Для определения принадлежности габ-броидов Исландии к определенному магматическому режиму использовались тектонические диа1раммы Маллена [Mullen, 1983], Пирса [Реагсеу, Сапп, 1975; 1977] и др. авторов. Широкие возможности для выяснения характера магматических резервуаров под Исландией при изотопно-геохимическом анализе базальтов открылись при использовании метода определения параметров Ктьи Крь, предложенного Н.А.Титаевой [Титаева, 1994; 1998], а также серии бинарных диаграмм.

Автор принимал участие в экспериментальных исследованиях по плавлению и кристаллизации различных по составу горных пород, в том числе щелочного базальта и лерцолита Дариганги при высоких Р-Т параметрах, а также в опытах при давлениях около 50 кбар й температурах до 1600°С целью определения условий формирования калиевых магм. Были проведены микроструктурные исследования коллекции образцов шпинелевых и гранат-шпинелевых ультрабазитов Хангая (Монголия) для установления стадийности их деформационной истории.

Систематика и интерпретация генезиса магматических резервуаров по изотопному составу Sr, Nd, Pb проводились на основе схемы, разработанной А.Зиндлером и А.Хартом [Zindler, Hart, 1987].

Защищаемые положения

1. Эндогенный континентальный рифтогенный режим, обусловленный диапироподобным подъемом к поверхности "аномальной" (по геофизическим и геохимическим характеристикам) мантии, характеризуется отдельными стадиями эволюции: предрифтовой и рифтовой. Этим стадиям отвечают различные термические состояния верхней мантии.

2. Формирование различных петрохимических типов базальтоидов обусловлено не столько меняющимися условиями плавления однородного мантийного источника (близкого по составу к пиролиту), степенью его частичного плавления, сколько различиями плавящегося субстрата на сходных глубинных уровнях: изменением состава самого субстрата (под действием мантийного метасоматоза), температуры (разогрев мантии), флюидного режима (Юг, состава флюидов).

3. Процессы, характерные для земной коры - метасоматоз, метаморфизм, динамометаморфизм и т.д., распространены вглубь, по крайней мере, на всю мощность верхней мантии. Они ответственны за формирование тектонических и геофизических структур верхних оболочек Земли, что находит подтверждение в вещественном типоморфизме тектонических структур (и/или эндогенных режимов).

4. Мантийный кристаллический субстрат отражает состав магматических продуктов. "Скоррелированность" составов глубинных ксенолитов и вмещающих их базальтоидов обусловлена общими для них глубинными процессами, воздействующими как на состав самого субстрата, так и на химизм формирующихся расплавов.

5. На основании известных изотопно-геохимические данных о различных глубинных источниках магм под континентами и океанами установлена временная эволюция магмогенеза, сопровождаемого включением в процесс магмообразования различных глубинных источников (их смешением или смешением магматических расплавов типа МОЛВ, Н1Ми, ЕМ, БМ и вещества потома).

Научная новизна полученных результатов

Несмотря на огромное количество исследований, посвященных изучению базальтов и содержащихся в них глубинных включений, связям базальтового вулканизма со структурами и глубинным строением, условиям выплавления магм этого состава, настоящая работа является одним из немногих обобщений, где на основе конкретного регионального фактического материала проведен по единой схеме анализ глубинной динамики, термического режима, состава базальтов и ксенолитов. Именно комплексность и многосторонний подход к исследованию базальтового магматизма и глубинных ксенолитов позволил прийти к тем выводам, которые излагаются в работе.

Анализ геофизических особенностей глубинных структур (в первую очередь, рифтогенных), петрологическая и петрохимическая характеристика вещества, минерало- и термабарометрия, структурно-деформационные и экспериментальные исследования при высоких Р-Т параметрах - все это позволило автору подчеркнуть основные глобальные закономерности проявления кайнозойского щелочно-базальтового вулканизма в условиях рифтогенного и предрифтового режимов;

В результате этих работ были существенно уточнены наши представления о развитии континентального магматизма и получен ряд принципиально новых выводов:

1. Впервые продемонстрирована связь между отдельными стадиями рифтогенеза, термическими режимами в верхней мантии и характером вулканизма (состав, объем, площадное распространение, петро-химический тип).

2. Показано, что различия в петрохимическом облике базальтов в значительной мере обусловлены различиями плавящегося исходного мантийного субстрата и обусловлены мантийным метасоматозом, изменением температуры (мантийный разогрев) и флюидным режимом. Подчеркивается, что изменение щелочности может происходить как в верхней мантии (области рифтогенеза центральной и юго-восточной Монголии), так и непосредственно в пределах земной коры (орогенные зоны Малого Кавказа).

3. Существенно развиты представления о том, что процессы, присущие земной коре - метасоматоз, метаморфизм, динамометаморфизм и т.д., играют огромную роль в преобразовании вещества верхней мантии, определяя характер формирующихся геологических и геофизических структур в верхних оболочках Земли. Это подтверждается вещественным типоморфизмом тектонических структур (и/или эндогенных режимов).

4. Впервые показана "скоррелированность" состава кристаллического субстрата и выплавляющихся базальтов, обусловленная общими глубинными процессами, которые оказывают воздействие как на состав самого субстрата, так и на состав расплава. В ходе этого процесса изотопно-изохронные характеристики субстрата верхней мантии могут не изменяться.

5. Показано, что временная эволюция структур (эндогенных режимов) сопровождается включением в процесс магмообразования различных магматических источников (резервуаров), подразумевающих смешение магматических расплавов.

Практическая значимость работы

Решена одна из фундаментальных проблем магмогенеза - определены некоторые параметры глубинных магматических процессов на различных стадиях рифтогенного режима.

Пространственно-временные закономерности распределения щелочных базальтоидов, выявленные в работе, и приуроченность их к определенным стадиям рифтогенного режима могут использоваться при геологическом картировании и геохимическом районировании в районах с широким развитием вулканогенных толщ.

Результаты исследования могут быть применимы при интерпретации региональных комплексных геофизических исследований для построения реальных (вещественных) моделей глубинного строения земной коры и верхней мантии, в особенности в областях активного рифтогене-за. Данные, систематизированные в диссертации, могут использоваться в учебных курсах по глубинной петрологии для студентов ВУЗ'ов геологических специальностей, а также при поисках драгоценных камней- пиропов, хризолитов, санидинов и др. в областях широкого развития кайнозойского базальтового вулканизма.

Апробация работы

Основные результаты и отдельные положения диссертации докладывались на Тектоническом совещании (Москва, 1967 г.), на IV, V, VI Всесоюзных вулканологических совещаниях (Петропавловск-Камчатский, 1968, 1985, Тбилиси, 1980), на VII, X, XI семинарах по геохимии магматических пород в ГЕОХИ (Москва, 1970, 1979, 1984, 1985 г.г.), на Международной геологической конференции в Улан-Баторе (1970), на Всесоюзных палеовулканологических совещаниях (Москва, 1973, Петрозаводск, 1975, Хабаровск, 1978), на совещаниях по "Физическим свойствам горных пород при высоких Р-Т-условиях" (Тбилиси, 1974, Баку., 1978, Ташкент, 1981, Ереван, 1985), на Восточно-Сибирском петрографическом совещании (Иркутск, 1974), на Всесоюзном симпозиуме "Глубинное строение и металлогения Тихоокеанских вулканических поясов" (Владивосток, 1976), на совещании "Комплексное исследование развития БМР" (Москва. ИФЗ, 1981), на съезде "Постоянное магнитное поле, магнетизм горных пород" (Тбилиси, 1981), на Федоровской сессии ВМО (Ленинград, 1982), на Международном симпозиуме в Германии (Вальдхайм, 1981)., на XVIII сессии Генер.Ассамблеи IUGG (Гамбург, 1983), на XXVII Междунар. Геолог.Конгрессе (Москва, 1984), на VII Всес.петрограф.совещании (Новосибирск, 1986), на чтениях памяти М.М.Одинцова (Иркутск, 1986), на совещании по проекту "Ксенолит" (Черноголовка, 1986), на чтениях памяти И.Ф.Трусовой в МГРИ (1993, 1994, 1995), на VII симпозиуме Ei^öri. Сойза по гёОдезии и геофизике (Страсбург, 1993), на Генеральной Ассамблее IAVCEI (Канберра, 1993), на Международной конференции по интерпретации геофизических полей комплексными методами (Воронеж, 1993), на Международной конференции по программе EURO PROBE (Москва, 1997), на семинаре по геодинамике (ИФЗ РАН, 1997), на Проблемном семинаре по вопросам внутреннего строения и геодинамики (ОИФЗ РАН, 1999), на Международной конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле" (Москва, октябрь, 1999).

По результатам работ в Исландии был сделан доклад на научном семинаре в Г.Рейкьявике (в Nordic Volcanological Institute, Университет Исландии, 1990г.)

Публикации

Основные результаты работы изложены в 7 монографиях, изданиях, подготовленных коллективами при непосредственном участии автора диссертации и 135 статьях, опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных изданиях. В монографии "Позднепалеозойский-мезозойский вулканизм Северной Монголии и Западного Забайкалья" (М., "Наука", 1977 г., соавт. Д.Оролмаа) автором написано более" 85% объема книги, в монографиях "Мантия и вулканизм юго-востока Монголии" (М., изд. Вост. лит., 1984., соавт. Ю.С.Геншафт) и "Геодинамика кайнозойского вулканизма юго-востока Монголии", (М., "Наука", 1985 г., соавтор Ю.С.Геншафт) автором диссертации были написаны разделы -геология плато Дариганга, кайнозойские вулканогенные породы Дари-ганги; основные черты кайнозойской геодинамики и вулканизма Дарй-ганги. В монографии "Каталог включений глубинных пород и минералов в базальтах Монголии", М., "Наука", 1990 (соавтор Ю.С.Геншафт) автором диссертации были написаны главы с VI по XIII и им составлены все крупномасштабные карты-схемы для 13 ареалов вулканизма.

В монографии "Исландия: глубинное строение, эволюция, интрузивный магматизм", М., ГЕОС, 1999. 32 п.л., (соавтор Ю.С.Геншафт) автором диссертации были написаны: Глава 1 (Магматизм, геофизическая структура, геодинамические модели), Глава 3 - Эволюция магматических режимов в геологической истории Исландии, составляющие около 60% от общего объема книги.

В многочисленных публикациях Салтыковским А.Я. были разработаны: общая схема магмообразования и петрохимической эволюции внутриконтинентального магматизма, общие принципы использования минеральных геотермометров и геобарометров для определения палео-геотерм под различными ареалами кайнозойского вулканизма, принципы выделения процессов частичного плавления ультраосновного вещества верхней мантии под влиянием флюидов и термического воздействия вмещающих расплавов, а также разработаны основные принципы использования петрохимических и изотопно-геохимических характеристик магматических пород для выявления эволюции глубинных магматических режимов при формировании Исландской геологической структуры.

Составлены карты-схемы "Глубинного строения МНР" и карта "Кайнозойского вулканизма МНР", вошедшие в "Национальный Атлас МНР" (1990). Доля участия автора диссертации в составлении этих карт - 70%.

Благодарности

Работа выполнена в Объединенном институте физики Земли им.О.Ю.Шмидга.

Большую роль в выборе направления и формирования научных взглядов сыграли идеи В.В.Белоусова и Ю.М.Шейнманна, с которыми автору посчастливилось работать на протяжении многих лет.

Автор выражает глубокую признательность Ю.С.Геншафту, с которым его связывают более 30 лет совместных полевых и лабораторных исследований. Его ценные замечания и пожелания во многом определили и конкретизировали направленность моих работ по исследованию (в том числе, и экспериментальному) глубинных процессов магматизма и его связей с тектоникой.

Автор благодарен А.Ф.Грачеву за советы и полезные дискуссии, которые очень помогли в процессе работы над диссертацией и за то внимание, которое он оказывал этой работе на протяжении многих лет.

Совместная работа с Н.А.Титаевой позволила наметить некоторые важные закономерности применительно к магматическим источникам. Автор выражает ей свою искреннюю благодарность.

С большой теплотой автор вспоминает научное общение, обсуждение различных аспектов работы и советы, высказанные в разные годы А.П.Виноградовым, А.А.Сауковым, Е.К.Устиевым, Н.А.Флоренсовым, Л.П.Зоненшайном, И.В.Лучицким, Г.С.Горшковым, Л.Н.Рыкуновым, Е.А.Любимовой, Б.А.Петрушевским, Н.С.Зайцевым.

Автор благодарен ведущим ученым - геологам, геофизикам, тектонистам, петрологам и геохимикам, чьи полезные советы и рекомендации, а также совместные полевые исследования (особенно в Монголии) во многом способствовали завершению этой работы: Е.Е.Милановскому, Н.А.Логачеву, Л.Н.Когарко, Н.В.Короновскому,

В.И.Коваленко, М.И.Кузьмину, А.О.Глико, Г.Н.Петровой, П.В.Ковалю,

A.А.Моссаковскому, Т.И.Фроловой, А.С.Перфильеву, Д.М.Печерскому, И.В.Гордиенко, Ю.А.Зорину, В.И.Багину, Е.В.Девяткину, Б.Г.По.чяку,

B.В.Ярмолюку, Е.В.Шаркову, Б.П.Золотареву, Ю.В.Комарову, П.М.Хренову, Г.И.Рейснеру, В.Н.Шолпо, В.В.Эзу, А. Й. Киселеву, Н.И.Павленковой, С.М.Звереву, И.Б.Филипповой и др.

Большую помощь в работе автору оказал коллектив Института физики Земли и лаборатории, где готовилась эта диссертация^ Всем им автор искренне благодарен.